ساختمان های مقاوم در برابر زلزله چگونه طراحی می شوند؟

چابک آنلاین، شراره عبازاده، زمین لرزه یکی از مخرب ترین نیروهای زمین است. 

امواج لرزه ای در سراسر زمین، می تواند ساختمان ها را تخریب کند، جان انسان ها را بگیرد و هزینه های زیادی را برای تخریب و یا تعمیر ساختمان بر افراد تحمیل کند. 

در چند دهه گذشته، مهندسان طرح ها و مصالح ساختمانی جدیدی را برای تجهیز بهتر ساختمان ها برای مقاومت در برابر زلزله معرفی کرده اند. 

قبل از اینکه به ویژگی‌های ساختمان‌های مقاوم در برابر زلزله نگاهی بیندازیم، مهم است که بدانیم چگونه زلزله‌ها بر سازه‌های ساخته شده توسط انسان تأثیر می‌گذارند.

هنگامی که زمین لرزه رخ می دهد، امواج ضربه ای را در فواصل کوتاه و سریع به سراسر زمین ارسال می کند که در همه جهات گسترش می یابد. 

در حالی که ساختمان ها به طور کلی برای مقابله با نیروهای عمودی ناشی از وزن و گرانش خود مجهز هستند، به طور سنتی نمی توانند نیروهای جانبی زمین لرزه ها را کنترل کنند.

این حرکت افقی باعث ارتعاش دیوارها، کف ها، ستون ها، تیرها و اتصال دهنده هایی می شود که آنها را در کنار هم نگه می دارند.

تفاوت در حرکت بین پایین و بالای ساختمان ها باعث ایجاد فشار شدید  و باعث پارگی قاب نگهدارنده و در نهایت فروریختن کل سازه می شود.

چگونه یک ساختمان مقاوم در برابر زلزله بسازیم

از آنجایی که زمین لرزه انرژی آزاد می کند که از یک جهت به ساختمان فشار می آورد، استراتژی شامل فشار دادن ساختمان به سمت مخالف است.

در اینجابه برخی از روش هایی که برای کمک به مقاومت ساختمان ها در برابر زلزله استفاده می شود، اشاره شده است.

1. یک بستر انعطاف پذیر ایجاد کنید

یکی از راه‌های مقاومت ساختمان در برابر نیروهای زمینی، «بالا بردن» پایه ساختمان از روی زمین با روشی به نام جداسازی پایه است. 

جداسازی پایه شامل ساخت یک ساختمان بر روی لنت های انعطاف پذیر ساخته شده از فولاد، لاستیک و سرب است. 

هنگامی که پایه در هنگام زلزله حرکت می کند، جداسازها می لرزند در حالی که خود سازه ثابت می ماند. 

این به طور موثری به جذب امواج لرزه ای و جلوگیری از حرکت آنها در ساختمان کمک می کند.

2. نیروهای خلاف با میرایی

اگر با کمک فنرهای مورد استفاده در خودروها آشنا هستید، شاید تعجب آور باشد که بدانید مهندسان نیز از نسخه ای از آنها در ساختمان های مقاوم در برابر زلزله استفاده می کنند.

 کمک فنرها همانند استفاده از آنها در خودروها، بزرگی امواج ضربه را کاهش داده و به کاهش فشار بر ساختمان کمک می کنند. 

این به دو روش انجام می شود: دستگاه های کنترل ارتعاش و قدرت آونگ.

دستگاه های کنترل ارتعاش

این روش شامل قرار دادن دمپرها در هر سطح از ساختمان بین ستون ها و تیرهااست. 

هر دمپر از سر پیستون در داخل یک سیلندر پر از روغن سیلیکون تشکیل شده است. 

هنگامی که زلزله رخ می دهد، ساختمان انرژی ارتعاشی را به پیستون ها منتقل می کند که به روغن فشار می آورند. سپس انرژی به گرما تبدیل می شود و نیروی ارتعاشات را از بین می برد.

قدرت آونگ

یکی دیگر از روش های رایج میرایی، قدرت آونگ است که عمدتاً در آسمان خراش ها استفاده می شود. 

برای اجرای این امر، مهندسان یک توپ بزرگ را از کابل های فولادی که به یک سیستم هیدرولیک در بالای ساختمان متصل می شوند، آویزان می کنند. هنگامی که ساختمان شروع به تاب خوردن می کند، توپ مانند یک آونگ عمل می کند و در جهت مخالف حرکت می کند تا ساختمان را تثبیت کند.

این ویژگی‌ها به گونه‌ای تنظیم شده‌اند که با حرکت ساختمان در صورت وقوع زلزله مطابقت داشته باشند و آن را خنثی کنند.

3. از ساختمان ها در برابر ارتعاشات محافظت کنید

محققان در حال آزمایش روش هایی هستند که ساختمان ها می توانند انرژی ناشی از زلزله را به طور کلی منحرف و تغییر مسیر دهند.

این نوآوری که «شنل نامرئی لرزه‌ای» نامیده می‌شود، شامل ایجاد شنل متشکل از 100 حلقه پلاستیکی و بتنی متحدالمرکز و دفن آن در حداقل 3 فوت زیر پایه ساختمان است.

با ورود امواج لرزه ای به حلقه ها، سهولت حرکت آنها را مجبور می کند تا به حلقه های بیرونی حرکت کنند. 

در نتیجه، آنها اساساً از ساختمان دور شده و به داخل زمین پراکنده می شوند.

4. ساختار ساختمان را تقویت کنید

برای مقاومت در برابر ریزش، ساختمان ها باید نیروهایی را که در طول یک رویداد لرزه ای از خود عبور می کنند، دوباره توزیع کنند. 

دیوارهای برشی، مهاربندهای متقاطع، دیافراگم ها و قاب های خمشی برای تقویت یک ساختمان مرکزی هستند.

دیوارهای برشی یک فناوری ساختمانی مفید است که می تواند به انتقال نیروهای زلزله کمک کند.

 این دیوارها که از پانل های متعدد ساخته شده اند، به ساختمان کمک می کنند تا شکل خود را در طول حرکت حفظ کند. 

دیوارهای برشی اغلب توسط مهاربندهای متقاطع مورب ساخته شده از فولاد، پشتیبانی می شوند. 

این تیرها می توانند فشار و کشش را پشتیبانی کنند و به مقابله با فشار کمک کنند.

دیافراگم ها نیز بخش مرکزی ساختار یک ساختمان هستند. 

دیافراگم‌هایی که از طبقات ساختمان، سقف و عرشه‌های قرار گرفته روی آن‌ها تشکیل شده‌اند، به حذف تنش از کف و فشار نیروها به ساختارهای عمودی ساختمان کمک می‌کنند.

قاب های مقاوم در برابرانعطاف پذیری بیشتر در طراحی ساختمان ایجاد می شود. 

این سازه‌ها در میان درزهای ساختمان قرار می‌گیرند و به ستون‌ها و تیرها اجازه می‌دهند تا در حالی که اتصالات محکم باقی می‌مانند، خم شوند. 

بنابراین، ساختمان می تواند در برابر نیروهای بزرگتر زلزله مقاومت کند و در عین حال به طراحان اجازه می دهد تا در چیدمان عناصر ساختمانی آزاد باشند.

مواد مقاوم در برابر زلزله

در حالی که کمک فنرها، آونگ ها و "شنل های نامرئی" ممکن است تا حدی به دفع انرژی کمک کنند، مواد انتخاب شده برای یک ساختمان به همان اندازه مسئول پایداری آن هستند.

فولاد و چوب

برای اینکه یک ماده در برابر تنش و ارتعاش مقاومت کند، باید شکل پذیری بالایی داشته باشد،در اینصورت  توانایی تغییر شکل ها و کشش های بزرگ را دارد. ساختمان‌های مدرن اغلب با فولاد سازه‌ای ساخته می‌شوند، جزئی که در اشکال مختلف وجود دارد و به ساختمان‌ها اجازه می‌دهد بدون شکستگی خم شوند. 

چوب نیز به دلیل استحکام بالا نسبت به ساختار سبک وزن، یک ماده انعطاف پذیر شگفت انگیز است.

مواد نوآورانه

دانشمندان و مهندسان در حال توسعه مصالح ساختمانی جدید با حفظ شکل حتی بیشتر هستند.

نوآوری هایی مانند آلیاژهای حافظه دار این توانایی را دارند که هم فشارهای سنگین را تحمل کنند و هم به شکل اولیه خود بازگردند. 

علاوه بر این، روکش های پلاستیکی تقویت شده با الیاف - ساخته شده توسط انواع پلیمرها - می توانند در اطراف ستون ها پیچیده شوند و تا 38 درصد استحکام و شکل پذیری بیشتری ایجاد کنند.

مهندسان نیز برای کمک به تقویت ساختمان ها به عناصر طبیعی روی می آورند. 

الیاف چسبنده و در عین حال سفت و سخت صدف ها و نسبت قدرت به اندازه تار عنکبوت قابلیت های امیدوار کننده ای در ایجاد ساختار دارند.

بامبو وپرینت سه بعدی نیز می توانند به عنوان سازه های سبک وزن و در هم تنیده با فرم های بی حد و حصر عمل کنند که به طور بالقوه می توانند حتی مقاومت بیشتری را برای ساختمان ها ایجاد کنند.

در طول سال‌ها، مهندسان و دانشمندان تکنیک‌های متعددی را برای ایجاد ساختمان‌های مقاوم در برابر زلزله ابداع کرده‌اند. 

با این حال، همانطور که امروزه تکنولوژی و مواد پیشرفته هستند، همیشه برای ساختمان ها امکان پذیر نیست که به طور کامل در برابر زلزله های قدرتمند و بدون آسیب مقاومت کنند.

اگر یک ساختمان بتواند از فروریختن جلوگیری کند و زندگی افرادرا نجات دهد، می توانیم آن را یک موفقیت بزرگ بدانیم.